□作者: 航天員雜志
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南山站25米天線
遠望號測量船
運行管理分系統的運控大廳
整理/李黎峰
隨著中國繞月探測工程運行的步伐鏗鏘臨近，集千寵于一身、凝聚著中華民族千年夢想和希望的“嫦娥一號”繞月衛星即將告別地球，飛向距離我們38萬千米外的月球，在繞月軌道上展開為期1年左右的對月探測活動。
當然，這次“嫦娥一號”的出訪並不是單兵作戰，它將與身後的運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面應用系統一起組成繞月探測工程五大系統，既分工又合作地共同完成地球總部賦予的繞月探測任務，讓這個距離地球38萬千米的月球從此在世人的心目中不再遙遠、神秘！
鏈接︰“嫦娥一號”所要完成的探測任務(亦稱為四大科學目標)
一，獲取月球表面三維立體影像。精細劃分月球表面的基本構造和地貌單元，進行月球表面撞擊坑形態、大小、分布、密度等的研究，為類地行星表面年齡的劃分和早期演化歷史研究提供基本數據，並為月面軟著陸區選址和月球基地位置優選提供基礎資料等。
二，分析月球表面有用元素含量和物質類型的分布特點。主要是勘察月球表面有開發利用價值的鈦、鐵等14種元素的含量和分布，繪制各元素的全月球分布圖，月球岩石、礦物和地質學專題圖等，發現各元素在月表的富集區，評估月球礦產資源的開發利用前景等。
三，探測月壤厚度。即利用微波輻射技術，獲取月球表面月壤的厚度數據，從而得到月球表面年齡及其分布，並在此基礎上，估算核聚變發電燃料氦-3的含量、資源分布及資源量等等。
四，探測地球至月亮的空間環境。月球與地球平均距離為38萬千米，處于地球磁場空間的遠磁尾區域，衛星在此區域可探測太陽宇宙線高能粒子和太陽風等離子體，研究太陽風和月球以及地球磁場磁尾與月球的相互作用等。
衛星系統︰“嫦娥一號”奉命探月
對于我國正在實施的繞月探測工程，最受人們關注的熱點就是飛往月球的使者——“嫦娥一號”月球探測衛星。因為此前，中國航天器所到達的距地球最遠距離約為7萬千米(2003年12月30日發射的“探測一號”衛星)。而要實現月球探測，“嫦娥一號”必須飛出地球引力場，進入到38萬千米外的空間。同時，由于月球以及月球與地球、太陽的相對關系具有其固有的特點，因此“嫦娥一號”與一般的地球衛星有很大不同，研制並發射它要解決軌道設計，制導、導航與控制(GNC)，測控與數據傳輸，星上熱控和電源分系統設計等關鍵技術問題。
綜合各方面的因素，專家研制的“嫦娥一號”以如此身份出現在大家的眼里︰外形呈立方體，體重2350千克左右，體積2000毫米×1720毫米×2200毫米，兩大太陽能電池板分布在兩則，最大跨度達18.1米，采用三軸穩定姿態控制，數據儲存傳輸總量為39Gbit/24h，它的在軌運行壽命超過一年。
“嫦娥一號”還根據探測任務的要求將自己分為衛星平台和有效載荷兩大部分。
它選用“東方紅”3號衛星平台作為基本平台，但是又根據月球探測任務需要進行了技術改進。改進後的衛星平台包括GNC(制導、導航與控制)分系統、推進分系統、結構分系統、電源分系統、熱控分系統、數據管理分系統和測控數傳分系統。選用“東方紅”3號衛星平台主要是由于它的高度可靠性，它采用了許多較先進的技術，如全三軸穩定、統一雙組元液體推進、公用平台設計、大面積密柵太陽電池陣和高強度輕重量碳縴維多層復合材料等。
資訊︰“東方紅”3號衛星資料
“東方紅”3號衛星是中國新一代通信衛星，主要用于電視傳輸、電話、電報、傳真、廣播和數據傳輸等業務。
它具有國際同類衛星(中型容量)的先進水平，于1997年5月12日由“長征三號甲”運載火箭發射升空，並準確進入傾角28.4°，周期10小時39分，近地點為207km，遠地點為36194km的大橢圓轉移軌道。 按預定飛行程序，在地面測控系統的測控管理下，衛星先後完成進入OBC太陽搜索模式；南北太陽電池陣展開；通信天線的展開；遠地點變軌發動機經過第三次點火變軌，衛星進入準靜止軌道，並完成定點捕獲；5月20日16時衛星成功的定點于東經125°赤道上空。
“嫦娥一號”選用的有效載荷包括CCD立體相機、激光高度計、成像光譜儀、伽瑪/X射線譜儀、微波探測儀和空間環境探測儀(包括太陽高能粒子探測器和低能離子探測器)等。
CCD相機和激光高度計共同承擔月球表面三維影像探測任務。其中CCD立體相機是拍攝全月面三維影像的專用相機，在中國屬首次使用；激光高度計用于探測月球海拔高度，當它完成繞月旅行，月面每個探測點的海拔高度就一清二楚了。這些數值一旦與CCD立體相機拍攝的平面圖像相疊加，就是一幅完整而精確的月面三維地形圖。
成像光譜儀、伽瑪/ X射線譜儀共同承擔月表化學元素與物質探測任務。成像光譜儀用于獲取月面光波圖譜；伽馬/X射線譜儀用于探測月球表面元素，兩種儀器所獲得的數據結合起來，就可以繪制各元素的全月球分布圖，月球岩石、礦物和地質學專題圖等，發現各元素在月表的富集區，評估月球礦產資源的開發利用前景等；
微波探測儀承擔月壤厚度探測任務。這次“嫦娥一號”身上攜帶的微波探測儀是世界上首次在探月衛星上裝載微波遙感裝置，用以實現對月面更為細致深入的探測，並將對所發回的數據進行反演和解析。微波探測儀除用于獲取月壤厚度信息外，還能給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息。
空間環境探測儀進行地月空間環境探測。太陽高能粒子探測器負責捕獲太陽宇宙線高能粒子如質子、重離子和電子等；而低能離子探測器則負責捕獲太陽風中的低能離子體，並以此為基礎研究地月空間環境。
鏈接︰“嫦娥一號”隨身攜帶的歌曲︰
“嫦娥一號”為了讓大家能夠在地球上能夠听到它的“腳步”聲，特意攜帶了30首由公眾投票選取的歌曲進行播放。這30首曲目是《誰不說俺家鄉好》、《愛我中華》、《歌唱祖國》、《梁山伯與祝英台》、《我的祖國》、《走進新時代》、《二泉映月》、《黃河頌》、《青藏高原》、《長江之歌》、《在希望的田野上》、《春天的故事》、《七子之歌》、《我的中國心》、《高山流水》、《草原上升起不落的太陽》、《阿里山姑娘》、《貴妃醉酒》選段、《難忘今宵》、《歌聲與微笑》、《春節序曲》、《半個月亮爬上來》、《游園驚夢》選段、《富饒遼闊的阿拉善》、《良宵》、《十二木卡姆選曲》、《東方之珠》、《在那遙遠的地方》、《我是中國人》、《但願人長久》。此外，還有兩首特別歌曲︰我國的國歌《義勇軍進行曲》和曾由我國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”在太空奏響的樂曲《東方紅》。到時候，地球上的我們只要將收音機調到合適的頻道，就可以收听到。
運載火箭系統︰“長征三號甲”攜星奔月
這次“嫦娥一號”出訪先要依靠強大的火箭推力，沖出地球引力圈，進入地球同步轉移軌道(即GTO軌道)，然後“告別”火箭，利用本身攜帶的推進系統進行加速變軌，飛向月球。根據設計，“嫦娥一號”的運行軌道近地點為200千米，遠地點為51000千米，屬于大橢圓軌道。只有先期精準地將“嫦娥一號”送入預定軌道，才能準確完成以後的出使任務，因此，任務的艱巨性決定了需要用優秀的運載火箭。
經過重重考驗，“長征三號甲”運載火箭脫穎而出，擔當起此重任。“長征三號甲”運載火箭是中國歷時8年自行研制的三級大型液體運載火箭。它是在“長征三號”運載火箭的基礎上重新研制了第三級而構成。
下面我們來看看這位火箭家族的全能選手的表現︰身長52.52米，一、二級直徑3.35米，三級直徑3米，整流罩直徑3.35米。火箭起飛質量約242噸，起飛推力2962千牛。火箭一、二級采用常規推進劑四氧化二氮/偏二甲 ，三級采用低溫推進劑液氧/液氫。火箭一級裝有四台並聯的液體火箭發動機，單台海平面推力為75噸，每台都可在伺服機構帶動下作切向搖擺，以實現對火箭飛行姿態的控制。二級發動機由一台主機(推力75噸)和帶四個小噴管的游動發動機(推力為4.8噸)組成，游動發動機噴管可作單向搖擺，以實現對箭體飛行姿態的控制。三級則采用新研制的氫氧發動機，具有真空二次啟動能力，由兩台獨立的單管發動機並聯而成，每台推力8噸，可在伺服機構帶動下雙向搖擺，實現對三級箭體飛行姿態的控制。
同時，“長征三號甲”運載火箭還擁有更靈活而先進的控制系統。可在星箭分離前對有效載荷進行大姿態調姿定向，並提供可調整的衛星起旋速率，具有很強的適應性。它主要用于發射地球同步軌道有效載荷，同時兼顧低軌道和太陽同步軌道等其它軌道有效載荷的發射，也可進行一箭雙星或多星發射。
當然，為了適應“嫦娥一號”的探月特殊使命，“長征三號甲”火箭還在控制系統中增加了單機和線路備份，以確保在飛行過程中不出現任何偏差，萬無一失。
資訊︰中國新一代大推力火箭研制取得重大進展
國務院新聞辦在2006年10月12日發表的《2006年中國的航天》白皮書里表示，中國將在未來的五年里研制新一代無毒、無污染、高性能、低成本和大推力的運載火箭，最終實現近地軌道運載能力達到25噸，地球同步轉移軌道運載能力達到14噸。新一代運載火箭多項關鍵技術取得重要突破，120噸級推力的液氧/煤油發動機和50噸級推力的氫氧發動機研制進展順利。
發射場系統︰西昌發射中心送女出遠門
這次“嫦娥一號”將在西昌衛星發射中心乘坐“長征三號甲”運載火箭開始它的探月之旅。作為中國三大衛星發射中心之一的西昌衛星發射中心將再次讓世界矚目。
始建于1970年的西昌衛星發射中心是以發射地球同步軌道衛星為主的航天發射基地，總部設在四川省西昌市，衛星發射場坐落在西昌市以北65千米處。擔負通信、廣播、氣象衛星等試驗發射和應用發射任務。選擇這個它作為“嫦娥一號”的“送客站”出于它多方面的“特長”。
一是海拔高、緯度低。發射場地處東經102度，北緯28.2度，平均海拔1500米。衛星軌道傾角與發射場的緯度關系重大，緯度越低，離赤道越近，這就既可以充分利用地球自轉的離心力，又可縮短從地面到衛星軌道的距離，從而節省火箭燃料增加火箭的有效載荷。
二是氣候適宜，增強了發射窗口的機率。西昌地區屬于亞熱帶高原季風氣候區，年平均溫度為攝氏16º，是中國年氣溫變化最小的地區之一。西昌地區雨旱兩季分明，日照多達320天，幾乎沒有霧日，全年風速都很低。每年只有6月至9月為雨季，多半是夜雨和午後陣雨，其余月份皆為旱季，多是晴天，太陽輻射強，常常碧空如洗，風和日麗，這些氣候條件大大地增加了年試驗周期和發射窗口。
三是交通和通訊條件理想。距發射場50千米處是西昌飛機場，跑道長3600米，可以允許C-130、安-124和波音747等大型飛機起降。發射場距離成昆鐵路和川滇公路都不遠，加上東面的金沙江航道還可以水路通達宜賓、重慶直至上海，這些條件極利于運輸所需物資和衛星、火箭產品。
除了這些因素以外，還有個最重要的原因︰就是我在前面所講的，它是一個以發射地球同步軌道衛星為主的大型航天器發射場，建成投入使用以來，先後成功實施發射了30余顆國內外衛星，是一個技術狀態良好、技術成熟度較高的發射場系統。而根據繞月探測工程的總體方案，“嫦娥一號”的初始停泊軌道選擇就是地球同步轉移軌道，因此，目前的西昌航天發射中心的發射場技術狀態可以滿足“嫦娥一號”、“長征三號甲”的使用要求，能夠勝任“嫦娥一號”的發射任務。
資料︰我國目前使用的其他兩大衛星發射中心
酒泉衛星發射中心 科學衛星、技術試驗衛星和運載火箭的發射試驗基地之一，是中國建設的第一個衛星發射場。它位于中國西北部甘肅省酒泉市東北地區，始建于1958年，佔地面積約2800平方千米。酒泉衛星發射中心主要用于執行中軌道、低軌道和高傾角軌道的科學實驗衛星及返回式衛星的發射任務。 “神舟”一號到“神舟”六號飛船相繼從這里成功進入太空預定軌道。
太原衛星發射中心 位于山西省太原市西北的高原地區，地處溫帶，海拔1500米，始建于1967年。是中國試驗衛星、應用衛星和運載火箭發射試驗基地之一。太原衛星發射中心具備了多射向、多軌道、遠射程和高精度測量的能力，擔負太陽同步軌道氣象、資源、通信等多種型號的中、低軌道衛星和運載火箭的發射任務。
測控系統︰聯合航天測控網護駕遠行
“嫦娥一號”此次前往月球，可謂初出遠門，且路途遙遠，因此如何使它在茫茫的太空中不偏離航道、迷失方向就成為一項重要的工作。按照計劃，此項光榮而艱巨的任務由五大系統之一的測控系統來完成。
科學地說，測控系統是“嫦娥一號”與地球之間的信息橋梁，它的任務就是負責完成對運載火箭及月球探測器的跟蹤、遙測、遙控和數據傳輸等任務，通過它，我們可以了解“嫦娥一號”的飛行軌道、飛行狀態，監測它的健康情況，對它發出各種控制指令以完成預定的任務操作。
此次任務對我國現有的測控系統提出了新的挑戰。以前我國所進行的航天測控一般是采用統一的S頻段航天測控網(USB)，盡管它經過了包括載人航天工程在內的地球衛星、載人飛船等的嚴格考驗，證明了它的先進性、成熟性和可靠度。但是，對于月球探測工程來說，一方面，由于月球衛星距離地面測控站的距離比地球衛星遠得多，所以測量控制的難度大得多；另一方面，我們對月球特別是其重力異常等情況了解不多，所以只有在確保“看得見”和“測得準”的基準下，才能及時“控得住”。
經過我國測控專家的多方研究、實驗和論證，為了保證“嫦娥一號”探月的萬無一失，采取了以S頻段航天測控網(由北京、長春、青島、西安、西昌、太原、酒泉、南寧、喀什等測控點以及遠望號測量船構成)為主、以甚長基線干涉網(由北京、上海、昆明、烏魯木齊四個天文觀測站構成)為輔的聯合航天測控網，並且在此基礎上，根據探月的特點進行適當的技術改進，以滿足“嫦娥一號”各飛行階段的遙測、遙控、軌道測量和導航任務，讓遠行的“嫦娥一號”一路平安飛完它的閃光一生。
資料︰嫦娥工程領軍人物
2004年2月，嫦娥一期工程立項後，經國務院批準，成立以國防科工委主任張雲川為組長，國防科工委、
財政部、科技部、科學院、總裝備部、航天科技集團等部門領導為副組長和成員的工程領導小組，並成立了領導小組辦公室，負責整個工程的組織實施。任命了以欒恩杰同志為工程總指揮、主要研制主管部門相關領導為副總指揮的行政指揮線領導，任命了以孫家棟院士為總設計師，三個研制主管部門即總裝備部、中國科學院和航天科技集團公司推薦的三位專家為副總設計師的技術設計師線領導，上述兩條線的領導，就是一般我們通常所說的工程兩總領導。
由于嫦娥工程是大科學系統工程，是根據科學需求而牽引出的科學探測工程項目，因此，工程兩總的基礎上，我國首次任命了歐陽自遠院士為工程應用科學首席科學家。為了更好地組織落實嫦娥一期工程的研制與研制任務，國防科工委專門成立了國防科工委月球探測工程中心，負責具體組織工程的實施工作、協調等事務。與此同時，工程的五大系統即衛星系統、運載系統、測控系統、發射場系統和地面應用系統也成立了由指揮系統和設計師系統組成的兩師系統的組織體系和相關項目辦公室。
地面應用系統︰聆听“嫦娥一號”在異鄉的聲音
當“嫦娥一號”飛到預定的軌道後，它就要按照地面工作人員的命令開始工作︰獲取月球表面三維立體影像；分析月球表面有用元素含量和物質類型的分布特點；探測月壤厚度；探測地球至月亮的空間環境等。而且它這次是抱定“風蕭蕭兮易水寒，巾幗一去兮不復返”的堅定決心和英雄氣概前往，所以它執行任務搜集到的各種數據尤顯珍貴。
而地面應用系統一個重要的任務就是聆听“嫦娥一號”從異鄉發回的音訊。科學而具體地說，地面應用系統將承擔包括接收數據在內的多項任務，其中包括依據繞月探測工程的科學目標制定；繞月探測工程的月球應用科學計劃；確定月球探測器中有效載荷的工作模式和探測計劃；調度月球探測衛星上的科學探測儀器進行數據的采集；並根據科學目標對“嫦娥一號”的軌道和姿態提出控制指標。此外，它還承擔推動月球探測的科學普及工作。
根據職責不同，地面應用系統分成運行管理、數據接收、數據預處理、數據管理、科學應用與研究五個分系統，總部則設在中國科學院國家天文台。
至此，我們知道，這次“嫦娥一號”的月球之旅是一次完整意義的“聯合作戰”︰地面應用系統根據我國的航天技術以及月球本身的情況制定出探月的科學目標，然後圍繞既定的科學目標確定衛星系統，而衛星系統需要運載
火箭系統和發射場系統才能沖出地球引力圈的束縛，然後飛向遙遠的月球，而飛往月球的途中以及繞月運行的過程中需要測控系統進行監測、導航，衛星繞月探測的數據又轉給地面應用系統進行處理和研究，從而完成對月球的探測任務。
資料︰嫦娥工程規劃為三期，簡稱為“繞、落、回”
第一期為“繞”，即發射我國第一顆月球探測衛星——“嫦娥一號”，突破至地外天體的飛行技術，實現月球探測衛星繞月飛行，通過遙感探測，獲取月球表面三維影像，探測月球表面有用元素含量和物質類型，探測月壤特性，並在月球探測衛星奔月飛行過程中探測地月空間環境。
第二期為“落”，即發射月球軟著陸器，突破地外天體的著陸技術，並攜帶月球巡視勘察器，進行月球軟著陸和自動巡視勘測，探測著陸區的地形地貌、地質構造、岩石的化學與礦物成分和月表的環境，進行月岩的現場探測和采樣分析，進行日-地-月空間環境監測與月基天文觀測。
第三期為“回”，即發射月球軟著陸器，突破自地外天體返回地球的技術，進行月球樣品自動取樣並返回地球，在地球上對取樣進行分析研究，深化對地月系統的起源和演化的認識。
當“繞、落、回”三步走完後，中國的無人探月技術將趨于成熟，中國人登月的日子也將不再遙遠。
(注︰資料主要來源于國防科工委月球探測中心、中國科學院國家天文台，對此深表感謝！)
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